KR102114855B1 - 상압 플라즈마를 이용한 선택적 박막 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상압 플라즈마 분위기를 이용하여 선택적으로 무손상 식각층을 형성하는 박막 식각 방법을 개시한다. 박막 식각 방법은 플라즈마 분위기 가스를 반응 챔버로 투입하여 상압 분위기로 만들어 주는 제1 단계; 상기 반응 챔버 내의 기판 표면을 활성화시켜 주는 제2 단계; 상기 반응 챔버로 반응 소스 가스를 공급하는 제3 단계; 상기 플라즈마 파워를 인가하여 박막을 식각하는 제4단계; 및 상기 반응 챔버를 퍼징시켜 주는 제5단계를 포함한다. 상기 반응 소스 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 양이 1 내지 5 % 가 되도록 공급되며, 상기 제1 내지 제5 단계가 상기 박막이 원하는 두께로 식각될 때까지 1회 이상 반복하여 진행된다.

Description

상압 플라즈마를 이용한 선택적 박막 식각 방법{METHOD OF ETCHING THIN FILM SELECTIVELY USING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}
본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 상압 플라즈마를 이용하여 실리콘층을 선택적으로 손상없이 식각하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자는 반도체 기판 상에 증착 공정 및 식각 공정 등과 같은 다양한 공정을 통해 형성되어진다. 특히, 22nm MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor) 공정기술을 적용한 반도체 소자의 양산으로부터 시작된 3차원 채널 구조를 갖는 Fin-FET 제작 기술은 실리콘 단결정을 식각하는 공정을 포함한다. 이러한 실리콘 단결정층은 실리콘 기판 또는 그 위에 형성한 에피층인데, MOSFET에서 전하의 이동 통로인 채널층으로 사용되는 물질층이므로 여러 반도체 공정, 특히 플라즈마를 사용하는 식각 공정에서 발생할 수 있는 표면 손상이나 결함의 발생은 반도체 소자의 특성을 열화시키는 결정적인 요인이 된다.
상압 플라즈마를 이용하여 식각하는 경우, 저압 플라즈마에 비하여 플라즈마에 의해 생성되는 이온, 라디칼 입자들의 평균자유이동거리가 수십nm로 매우 짧고 입자 밀도가 높으므로 이온 에너지 분포가 수eV 이하로 형성되어 수~수백 eV의 이온 에너지 분포를 갖는 저압 플라즈마에서 형성되는 고에너지 입자에 의한 손상층이 생기지 않는다. 도 1은 상압 플라즈마 분위기에서 분위기 가스가 He과 Ar일 때 실리콘 기판을 2분간 노출한 후 AFM을 이용하여 표면 거칠기를 측정한 결과로 표면 거칠기가 모두 0.2nm로 플라즈마에 노출하기 전의 실리콘 기판의 거칠기와 같음을 나타낸다. 따라서 상압 플라즈마에서 고에너지 입자에 의한 표면 손상이 거의 없음을 확인할 수 있다.
상압 플라즈마에서 실리콘을 식각하는 식각 공정을 위해서는 분위기 가스를 대량 공급하여 상압을 형성하고 약 1% 미만의 반응 소스 가스를 반응 챔버로 공급하여 상압 플라즈마를 형성하여야 한다. 또한, 식각 공정이 진행되는 동안 반응 챔버의 내부 압력이 700 Torr 이상의 상압 분위기로 유지되어야 원하는 에피층을 적절하게 제거할 수 있다.
식각 반응이 일어나는 동안 챔버를 상압으로 유지시켜 주기 위해서는 대량의 플라즈마 분위기 가스를 지속적으로 챔버 내부로 공급해 주어야 하는데, 반응 소스 가스의 양에 비하여 대량의 분위기 가스가 공급됨에 따라 챔버의 플라즈마 반응 분위기를 균일하게 조절할 수 없게 되어 안정적인 식각 결과를 확보할 수 없는 문제가 발생한다. 또한 상압 플라즈마 분위기 조성을 위해서는 고가의 고순도 비활성 가스를 사용하여야 하므로 제조 단가가 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상압 플라즈마를 이용하여 실리콘 박막을 플라즈마에 의한 손상층이 생기지 않게 식각하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 박막 식각 방법은 플라즈마 분위기 가스를 반응 챔버로 투입하여 상압 분위기로 만들어 주는 제1 단계; 상기 반응 챔버 내의 기판 표면을 상압 플라즈마를 가하여 활성화시켜 주는 제2 단계; 상기 반응 챔버로 반응 소스 가스를 공급하는 제3 단계; 상기 플라즈마 파워를 인가하여 박막을 식각하는 제4단계; 및 상기 반응 챔버를 퍼징시켜 주는 제5단계를 포함한다. 상기 반응 소스 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 양이 1 내지 5 % 가 되도록 공급되며, 상기 제1 내지 제5 단계가 상기 박막이 원하는 두께로 식각될 때까지 1회 이상 진행된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상압 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양이 1 내지 5 %가 되도록 반응 소스 가스를 반응 챔버로 투입하여 기판상에 노출된 박막층을 식각하여 줌으로써, 적은 양의 반응 소스 가스로 박막을 플라즈마에 의한 손상없이 제거할 수 있다.
또한, 적은 양의 반응 소스 가스를 이용하여 박막을 제거하여 줌으로써 공정 단가를 감소시켜 줄 수 있으며, 반응 소스 가스 공급과 플라즈마 전원 공급을 분리함으로써 상압을 유지하기 위한 플라즈마 분위기 가스의 공급을 최소화하여 상압 플라즈마 공정의 제조 단가를 감소시켜 줄 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 상압 플라즈마 분위기 가스의 종류별로 실리콘 단결정 기판이 상압 플라즈마에 노출되었을 때의 표면 거칠기를 AFM으로 측정한 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 식각 장치를 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 식각 공정의 순서도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마 식각 공정을 통해 식각되는 박막의 예시도를 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마를 이용한 박막 식각 공정을 진행하기 전, 후의 실리콘막의 투과 전자 현미경 (TEM) 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 상압 플라즈마 조건에서 He과 Ar을 각각 플라즈마 분위기 가스로 사용하여 실리콘 단결정 기판을 2분간 스퍼터링하였을 때의 표면 상태를 AFM으로 측정한 결과이다. 저압 플라즈마의 경우, 표면 스퍼터링이 일어나 표면이 패이는 손상층이 발생하여 표면 거칠기가 수~수십 nm로 증가하는 기존의 결과와는 달리 실기콘 기판의 원래의 표면 거칠기와 모양을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 상압 플라즈마 조건에 의한 기본적인 표면 손상의 획기적인 감소를 확인할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압 플라즈마를 이용한 박막 식각 방법에 사용되는 장치의 일 예를 도시한 것이다.
상기 식각 장치는 상압 플라즈마를 이용한 식각 장치로서, 기판상에 형성된 박막을 식각하는 데 적용된다. 특히, 식각 장치는 상압 플라즈마를 이용하여 박막, 예를 들어, 선택적 에피층 박막을 식각하는 데 적용 가능하다.
도 2를 참조하면, 반응 챔버(10) 및 상기 반응 챔버(10) 내에 서로 대향하도록 배열된 기판부 전극(20) 및 플라즈마 전극(30)을 구비한다. 상기 플라즈마 전극(30)과 기판부 전극(20)은 일정 거리(d) 만큼, 예를 들어 1 mm 이하로 이격 배열될 수 있다. 상기 플라즈마 전극(30)은 상기 기판부 전극(20) 상부에 배열되고, 상기 플라즈마 전극(30)과 상기 기판부 전극(20)사이, 예를 들어, 상기 기판부 전극(20)상에는 식각될 박막(75)이 형성된 기판(70)이 놓여 질 수 있다.
상기 식각 장치는 상기 반응 챔버(10)를 플라즈마 분위기로 만들어주기 위한 플라즈마 분위기 가스를 공급하기 위한 제1가스 공급부(40)와 상기 반응 챔버(10)로 반응 소스 가스를 공급하기 위한 제2가스 공급부(50)를 더 구비한다. 상기 제1 및 제2가스 공급부(40, 50)는, 예를 들어, 상기 반응 챔버(10)의 상단에 배열되어 상기 기판부 전극(20)에 대향하도록 위치한다. 제1 및 제2 가스인 플라즈마 분위기 가스와 반응 소스 가스가 상기 제1 및 제2가스 공급부(40, 50)를 통해 반응 챔버(10)로 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양이 1 내지 5 % 의 범위가 되도록, 상기 플라즈마 분위기 가스와 반응 소스 가스가 상기 제1가스 공급부(40) 및 제2가스 공급부(50)를 통해 각각 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 반응 챔버(10) 내부를 플라즈마 분위기로 만들어 주기 위한 제1가스로서, 예를 들어 He, Ne, Ar, Kr, Xe 등과 같은 불활성 기체를 사용할 수 있다. 상기 플라즈마 분위기 형성용 불활성 기체로, 바람직하게는 He, Ar 을 사용할 수 있다.
또한, 기판(70)에 형성된 박막(75)이 실리콘 에피층인 경우, 반응 소스 가스인 제2가스로는 수소(H2)를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 플라즈마 분위기 가스, 예를 들어, He 에 대한 반응 소스 가스인 H2 가스의 양이 1 내지 5 % 의 범위내로 되도록 상기 반응 챔버(10)로 상기 반응 소스 가스가 공급될 수 있다.
상기 식각 장치는 상기 반응 챔버(10) 하단에 설치된 배기펌프(60)를 더 포함할 수 있다. 상기 배기 펌프(60)는 식각 공정후 퍼징 공정시 플라즈마 분위기 가스인 제1가스를 반응에 사용된 제2가스의 양에 해당되는 1 내지 5%의 범위로 공급하여 반응 챔버(10)내에 잔존하는 가스를 외부로 배출시켜 줄 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장치의 제조 공정, 예를 들어 박막 식각 공정을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 박막 식각 방법을 통해 기판상에 형성된 박막을 식각하는 것을 보여주는 예시도이다. 도 4는 기판상의 식각되는 박막층으로서, 마스크 패턴(71)에 의해 한정된 기판(70)의 식각될 영역(75)을 선택적으로 식각하는 것을 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 박막 식각 방법은 제1단계 공정으로서 반응 챔버(10)를 상압 분위기로 만들어 주기 위한 상압 분위기 형성 공정(210)을 포함한다. 먼저, 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)가 개방 (턴 온)되고, 플라즈마 분위기 가스, 예를 들어 He 가스를 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)를 통해 상기 반응 챔버(10) 내로 공급하여 상기 반응 챔버의 내부를 상압 분위기로 만들어 준다. 상기 플라즈마 분위기 가스로서 불활성 기체인 헬륨(He) 가스를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 반응 챔버(10)의 내부 압력은 예를 들어, 650 내지 750 Torr, 바람직하게는 700~740 Torr, 보다 바람직하게는 700 Torr 로 설정될 수 있다. 그러나, 상기 반응 챔버(10)의 내부 압력은 이에 한정되지 않으며, 형성된 막의 종류, 막의 두께, 기판의 사이즈, 챔버의 구조 등에 따라 적절하게 조절할 수 있다. 이때, 상기 반응 소스 가스 공급부(50)와 상기 플라즈마 전극(30)은 오프 상태로 유지된다.
상기 반응 챔버(10)가 원하는 상압 분위기로 되면, 제2단계 공정으로서 표면 활성화 공정(220)을 진행한다. 표면 활성화 공정은 상기 플라즈마 전극(30)으로 일정 파워를 인가하여 식각하고자 한정된 영역(75)의 기판(70)의 표면을 활성화시켜 준다. 상기 표면 활성화 공정(220)은 60 MHz 의 100 W의 파워를 15 내지 30초 동안, 예를 들어 15초동안 인가하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 제1가스 공급부(40)와 상기 제2가스 공급부(50)는 오프 상태로 유지된다.
기판 표면을 활성화시켜 준 다음, 제3단계로서 반응 소스 가스를 상기 반응 챔버(10)로 공급하는 반응 소스 가스 공급 공정(230)을 진행한다. 상기 반응 소스 가스 공급부(50)가 개방 (턴 온)되고 상기 반응 소스 가스 공급부(50)를 통해 상기 반응 챔버(10)로 박막 식각용 반응 소스 가스를 공급한다. 이때, 상기 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)와 상기 플라즈마 전극(30)은 오프 상태로 유지된다.
이때, 상기 반응 챔버(10) 내에서 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 상기 반응 소스 가스의 양이 대략 1 내지 5 %의 범위로 되도록 반응 소스 가스가 상기 반응 챔버(10)내로 공급될 수 있다.
반응 소스 가스의 종류는 상기 기판상에 형성된 박막의 종류에 따라 달라질 수 있고, 당업자에 의해 적절히 선택되어질 수 있다. 또한, 상기 기판상에 형성된 박막의 종류에 따라 반응 소스 가스의 양 그리고 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양 등이 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 기판(70)상에 형성된 실리콘층(에피층)을 식각하는 경우, 상기 반응 소스 가스로 수소 H2 가 사용될 수 있다. 실험 예로서, 플라즈마 분위기 가스로 He 가스를 3 slm 의 양으로 공급할 때, 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 상기 반응 소스 가스의 양이 1 %가 되도록 반응 소스 가스인 H2 를 30 sccm 의 양으로 상기 반응 챔버(10)내로 공급할 수 있다.
이어서, 제4단계로서 상기 기판(70)상에 마스크로 한정되지 않은 개방 영역(75)을 식각하여 제거하는 박막 식각 공정(240)을 진행한다. 상기 박막 식각 공정(240)은 챔버로의 가스 공급을 중단하고 플라즈마 파워를 인가하여 제3단계에서 공급된 반응 소스 가스를 활성화시켜 준다. 즉, 상기 플라즈마 전극(30)으로 고 전압을 인가하여 상기 플라즈마 분위기 가스가 이온화되고, 반응 소스 가스가 여기되어 반응 가스가 형성된다. 상기 활성화된 반응 가스가 기판(70)상의 개방된 영역(75)중 활성화된 표면을 갖는 일부층(75a)를 제거한다.
상기 박막 식각 공정(240)은, 예를 들어 60 MHz 의 100 W의 파워를 15 내지 30초, 바람직하게 15초 동안 인가하여 수행할 수 있다. 상기 반응 소스 가스의 공급이 차단된 상태에서 플라즈마 식각 반응이 진행되므로, 챔버 내부에 존재하는 반응 소스 가스가 소진되거나 플라즈마 전원 공급이 중단되면 식각 반응은 더 이상 진행되지 않는다. 그러나, 식각에 의해 생성된 가스에 의한 부반응이 일어나는 것을 막기 위해, 제2가스와 기판(70)상의 개방된 영역(75)의 활성화된 표면을 갖는 일부층(75a)만이 반응하는 시간으로 한정하는 것이 바람직하다.
원하는 식각 반응을 완료한 후, 제5단계로서 반응 챔버(10)를 퍼지시켜 주는 퍼지 공정(250)을 진행한다. 퍼지 공정(250)에서는, 상기 플라즈마 전원이 차단되고, 상기 플라즈마 분위기 가스 공급용 제1가스 공급부(40)가 개방 (턴 온)상태로 되어 상기 플라즈마 분위기 가스인 비활성 가스를 일정량 반응 챔버(10)로 공급한다. 바람직하게는 제2가스의 공급량 수준으로 공급하여 반응 챔버(10)내에 잔존하는 가스나 분해물을 퍼징하여 배기 펌프(60)를 통해 배기시켜 준다. 이때, 반응 소스 가스를 공급하기 위한 제2가스 공급부(50)는 폐쇄 (턴 오프)상태를 유지한다.
제1 내지 제5단계의 공정(210-250)을 1차로 진행하여 박막(75)의 일부층(75a)을 제거한 다음, 반응 챔버(10)가 퍼지된 상태에서 2차로 기판(70)상에 개방된 영역(75)의 일부층(75b)을 식각하기 위한 공정(210-250)을 다시 진행한다. 이와 같이 상기 제1 내지 제5단계의 공정(210-250)을 반복 진행하여 기판(70)상에 개방된 영역(75)의 일부층(75a-75e)을 순차적으로 제거하여 줌으로써, 상기 영역(75)을 마스크층(71)에 대하여 선택적으로 손상층이 발생하지 않게 제거할 수 있다.
상기 제1 내지 제5단계의 공정(210-250)은 도 4에서는 5회 진행하는 것을 예시하였으나, 상기 제1 내지 제5단계의 공정(210-250)은 1회 이상 반복 진행할 수 있다. 반복 횟수는 식각하고자 하는 막의 종류와 두께, 기판의 크기, 반응기의 구조, 공정 조건 등에 따라 달라지며, 당업자가 적절히 선택할 수 있다.
상기 기판(70)상에 개방된 영역(75)이 원하는 깊이만큼 제거되면, 플라즈마 전극(30)의 전원을 차단하고, 반응 소스 가스 공급부(50)와 플라즈마 분위기 가스 공급부(40)를 폐쇄(오프)하여 반응 소스 가스 및 플라즈마 분위기 가스의 공급을 중단하여 식각 공정을 완료한다.
본 발명의 박막 식각 공정은 도 4에서 기판(70)상에 마스크층(71)에 의해 한정된 단결정 기판 영역(75)을 식각하는 것을 예시하였으나, 에피 박막이나 다결정 실리콘 박막 및 비정질 실리콘막 등을 상기 식각 방법을 통해 식각하는 경우에도 적용 가능하다.
도 5a는 그의 상부에 산화막(SiO2) 패턴이 형성된 단결정 실리콘 기판의 식각 공정 전의 TEM 사진을 도시한 것이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 상압 플라즈마를 이용한 식각 공정을 통해 도 5a의 노출된 단결정 실리콘 기판의 일부가 제거된 후의 TEM 사진을 도시한 것이다. 식각 후에도 결정결함이나 표면 거칠기의 증가 없이 즉, 손상층없는 단결정 실리콘 표면이 유지됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상압 플라즈마를 이용하여 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 양을 1 내지 5 %의 범위내로 설정하여 기판상에 노출된 박막층을 식각하여 줌으로써, 박막을 플라즈마에 의한 손상없이 제거할 수 있다. 또한, 적은 양의 반응 소스 가스를 이용하여 박막을 제거하여 줌으로써 공정 단가를 감소시켜 줄 수 있으며, 반응 소스 가스 공급과 플라즈마 전원 공급을 분리함으로써 상압을 유지하기 위한 플라즈마 분위기 가스의 공급을 최소화하여 상압 플라즈마 공정의 제조 단가를 감소시켜 줄 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 플라즈마 반응 챔버
20: 기판부 전극
30: 플라즈마 전극
40: 플라즈마 분위기 가스 공급부
50: 반응 소스 가스 공급부
60: 배기펌프
d: 플라즈마 전극과 기판부 전극 사이의 거리

Claims (4)

  1. 플라즈마 분위기 가스를 반응 챔버로 투입하여 상압으로 만들어 주는 제1 단계;
    상기 반응 챔버 내의 기판 표면을 상압 플라즈마를 가하여 활성화시켜 주는 제2 단계;
    상기 반응 챔버로 반응 소스 가스를 공급하는 제3 단계;
    플라즈마 파워를 인가하여 상기 반응 소스 가스를 활성화시켜 반응 가스를 형성하고, 상기 활성화된 반응 가스로 박막을 선택적으로 식각하는 제4단계; 및
    상기 반응 챔버를 퍼징시켜 주는 제5단계를 포함하되,
    상기 반응 소스 가스는 상기 플라즈마 분위기 가스에 대해 일정 비율로 공급되며,
    상기 제1 내지 제5 단계가 상기 박막이 원하는 두께로 식각될 때까지 일정 횟수 진행되되, 상기 제1 내지 제5단계는 반응 챔버가 퍼지된 상태에서 다시 수행되는 것을 특징으로 하는 박막 식각 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 플라즈마 분위기 가스에 대한 반응 소스 가스의 부피 비가 1 내지 5 %가 되도록 상기 반응 소스 가스가 반응 챔버로 제공되는 것을 특징으로 하는 박막 식각 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제5 단계는 1회 이상 반복 진행되는 것을 특징으로 하는 박막 식각 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 박막은 실리콘 기판 단결정층으로서, 제3단계에서 반응 소스 가스 H2 의 부피 비가 플라즈마 분위기 가스인 He 에 대하여 1 내지 5 % 의 범위내로 공급되는 것을 특징으로 하는 박막 식각 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090082749A (ko) * 2008-01-28 2009-07-31 삼성전자주식회사 비정질 실리콘막의 식각방법 및 이를 이용한액정표시장치의 제조방법
KR20160140447A (ko) * 2015-05-27 2016-12-07 램 리써치 코포레이션 잔여물 프리 옥사이드 에칭

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